【発明の詳細な説明】
円筒形マグネトロンのシールド構造発明の背景
本発明は、一般に回転円筒形のスパッタリングターゲットを用いる型式のマグ
ネトロンに関し、特に、このマグネトロンのアークを最小にする構造および技術
に関する。
円筒形マグネトロンは基板上にフィルムを堆積するために広く用いられるよう
になっている。一例としては、太陽エネルギーの一部がガラス基板を通過するの
を濾波するために、ガラス基板の表面に誘電体や金属の層を重ねて堆積すること
である。このような基板は、その外表面上にスパッタリング材料を有する少なく
とも１つ、通常は２つの回転する円筒形のターゲットを含む真空チャンバ内に位
置される。通常、不活性および反応ガスの両方がチャンバ内に導入される。真空
チャンバ容器あるいは分離したアノードのいずれかについて、スパッタリングタ
ーゲットに印加した電圧が、ターゲット内に位置している固定マグネットによっ
てターゲットのスパッタリングゾーンに沿って局部化されたプラズマを生成する
。プラズマが固定スパッタリングゾーンを通過するにしたがって、プラズマの電
子およびイオンでターゲットを衝撃することによって、材料がターゲット表面か
らスパッタされて、基板上に堆積する。
マグネットは、通常、回転する円筒形のターゲット内のラインに沿って配置さ
れた、永久マグネット形であり、ターゲットの回転に抗して保持される。スパッ
タリングゾーンは、円筒形スパッタリングターゲットの実質的に全長に沿って、
マグネットによって生成され、その周りの、小さな周囲（放射状）の距離のみに
広がっている。従来、マグネットは、スパッタリングゾーンが下で、円筒形のタ
ーゲットの底面で直接覆われる基板に面して、存在するように配置される。
フィルムの堆積は基板上にのみ生じることが必要であるが、反応チャンバ内の
他の面上にも堆積される。これは、ある誘電体がフィルムとして堆積されるとき
に、多くの場合問題を生じる。例えば、ターゲット表面が珪素やアルミニューム
で、反応ガスが酸素であると、酸化珪素がコーテイングされるべき基板上ばかり
でなく、ターゲット表面、ターゲットの支持構造の面等の上に堆積する。真空チ
ャンバの内部表面上に誘電体材料が形成されると、これらの表面にアークが発生
する。アークは、基板上に堆積されたフィルムを汚染する分子を発生し、また、
スパッタリングターゲットの表面や真空チャンバの壁あるいは他のアノードとの
電気的関係によってプラズマを生成する電源を過負荷にするので、アークは好ま
しくない。
回転円筒形のスパッタリングターゲットの利点は、ターゲット上に堆積したこ
のようなフィルムは、ターゲット表面がスパッタリングゾーンを通過するにした
がって、スパッタされ、したがって、好ましくないフィルムの形成を妨げること
である。しかしながら、この自己クリーニング特性にもかかわらず、ある環境下
で好ましくないアークが回転マグネトロンにまだ発生する。
最近、円筒形マグネトロンシールド構造が、回転円筒形マグネトロンに発生す
るこの好ましくないアークを最小にするために開発された。Kirs，Milan R．他
による“Cylindrical Magnetron Shield Structure”（円筒形マグネトロンのシ
ールド構造）の米国特許第5,108,574号を参照されたい。Kirs，Milan R．他に示
されているように、誘電体フィルムの堆積は暗い空間シールド（dark space shi
elding）によって最小にすることができる。暗い空間シールドは暗い空間でのプ
ラズマの形成を妨げ、フィルムの堆積とそれに伴って起きるアークを減少する。
Kirs他のシールド構造は、回転円筒形のマグネトロンの自己クリーニング特性
を非常に増進するけれども、凝縮物の堆積がターゲットシリンダーの端の方に生
じることがわかった。Kirs他に関連した誘電体の堆積と違って、装置に存在する
蒸気からこの凝縮物の堆積はプラズマの存在に関係なく発生する。従って、凝縮
物堆積の問題は、暗い空間シールドの使用によって、完全に解決されているわけ
ではない。
誘電体あるいは絶縁材料の平らな僅かの堆積が好ましくないアークを生じるの
で、本発明の主な目的は、このような堆積および関連するアークを最小にするた
めのメカニズムおよび技術を提供することである。本発明の概要
この目的および他の目的は本発明によって達成される。簡潔に、そして一般的
に言えば、形成された円筒形のシールド構造はスパッタリングゾーンの外側のス
パッタリングターゲットの少なくとも一部分の周りに、間隔をあけて設けられて
いる。磁界ゾーンの形状とチューブの端での凝縮物の分布を注意深く調べること
により、円筒形のシールド構造の形状は磁界ゾーンの輪郭に一致するように設計
され、それにより凝縮物の堆積を最小にするにもかかわらず、チューブ端のスパ
ッタエッチングは最小になる。好ましい形状においては、シールド構造は、ター
ゲット構造の反対側に位置し、磁界ゾーンの“ルーストラック”パターンの輪郭
に一致するように、磁界ゾーンに隣接するそれぞれの内部端に形成された分離し
た円筒形の端部シールドからなる。シールド構造は、また一様にされたシールド
から成り、ここで、これらの形成された円筒形の端部シールドは、ターゲット表
面がスパタッタリングゾーンをとおして回転されるにしたがって、プラズマの電
子およびイオンによってターゲット表面が衝撃されるように、磁界ゾーンに接す
るシールド構造に開いている窓を残して、円筒形に形成された構造によって磁界
ゾーンの外側に横たわるそれぞれの内側の端の部分に接続される。円筒形のシー
ルド構造は円筒形のターゲットと一緒に回転しない。マグネットの回転によって
ターゲットの周りに位置することができるスパッタリングゾーンに対して与える
装置において、円筒形のシールド構造は回転され、その窓がスパッタリングゾー
ンを新しい位置に従うようにすることができる。
このようなシールド構造は、３つの主たる点において有益であるとこがわかっ
た。その第１は、回転スパッタリングターゲットの自己クリーニング特性は、シ
リンダー内のマグネットによって制御されるスパッタリングゾーンがその端まで
完全に広がらないので、ターゲットシリンダーの遠い端まで広がらないことが判
った。ターゲットシリンダー内の永久マグネットの急激な終端が、シリンダーの
端においてスパッタリングゾーンに、従ってプラズマ自身の特性に幾らかの不連
続性を生じる。回転しているターゲットの自己クリーニング特性はターゲットシ
リンダーの端まで十分に広がらないので、本発明のシールド構造は、その端にお
いてスパッタリングシリンダーのまわりに完全に広がり、そして更に、スパッタ
リング表面とプラズマに接近しているために、好ましくないフィルムの形成に特
に影響するその端に接している回転ターゲットの支持構造の部分を覆うために広
げることができる。
更に、平らなマグネトロンに非常に似て、回転円筒形のマグネトロンは、“レ
ーストラック”の形状に一致するパターンにおいてターゲットシリンダーの端で
アークを生じる凝縮物を形成するけれども、“レーストラック”パターンのスパ
ッタリング表面をエッチする。この好ましくない凝縮物のフィルムは磁界ゾーン
の“レーストラック”形状に一致するので、本発明のシールド構造は、磁界ゾー
ンの輪郭に一致するように、同様に形成され、それにより凝縮物フィルムの形成
及びそれに伴って起きるアークに曝されるターゲットシリンダーの端でこれらの
領域をシールドする。
シールド構造の第３の有益な特徴は、上述の回転するマグネトロンの自己クリ
ーニング特性にもかかわらず、スパッタリングターゲットのシリンダーの長さの
中央部分を覆うことから生じる。スパッタリングゾーンの外側にあるターゲット
の部分に堆積した好ましくない誘電体あるいは他のフィルムは、これらの表面部
分が再度スパッタリングゾーンを通過するときに、完全に取り除かれない事実が
あることが判った。更に、コスパッタリング（co-sputtering）中に円筒形のタ
ーゲット表面の一部をカバーすることが好ましいと言う事実がある。即ち、２つ
の回転する円筒形のターゲット表面が互いに隣接しており、それらの少なくとも
１つの材料が、基板上に再びスパッタされる前に、他の表面上にスパッタされる
場合に好ましいと言う事実である。このコスパッタリング技術は、1990年７月６
日に出願された米国特許出願番号07/549,392に記載されている。それは、本発明
により提供されるこのようなコスパッタリング中にターゲットの一部分をカバー
する能力である。
本発明の他の目的、特徴および利点は図面を参照して、次の好適な実施例の記
載から明らかになるであろう。図面の簡単な説明
図１は、本発明の改良を利用した２つの円筒形のスパッタリング・ターゲット
・マグネトロンを示す。
図２は、本発明の改良を含む、図１のターゲットアッセンブリーの一部分を示
す。
図３は、本発明の改良を含む、図１のターゲットアッセンブリーの一部分を示
す。
図４は、図２の４−４線に沿ったターゲットアッセンブリーの断面図である。
図５は、図１−図５に示された型の回転するターゲットアッセンブリー用の好
適な支持アッセンブリーの部分図である。
図６は、本発明の改良を設計する場合に使用される図１の円筒形のスパッタリ
ング・ターゲット・アッセンブリーの終端部分での凝縮物のパターンとエッチン
グの“トラックレース”パターンを示す。好適実施例
まず、図１を参照すると、本発明を実施する場合の詳細が説明されるに先立っ
て、本発明を利用する全体のマグネトロン装置が、概略記載されている。点線で
示されている箱１１は、スパッタリングが発生する真空チャンバの金属壁を示し
ている。そのチャンバ内には、長手方向の軸の周りに回転可能にフレーム１１に
よって保持されている２つの回転可能な円筒形のターゲット構造１３と１５があ
る。このターゲット構造１３と１５は、互いに平行なそれらの軸を有して、一般
的に保持されているが、それは必須要件ではない。また、２つのターゲット構造
が図１に示されているが、多くの応用例は１つのこのターゲットを採用する必要
があり、他の応用例は２つより多くを有することによって、有利にすることがで
きる。しかしながら、２つのターゲット構造を用いることが一般的である。
図１のマグネトロン装置は、支持構造１９によって支持される基板１７を有す
る。支持装置１９は、連続的な処理をする場合に、基板１７が真空チャンバを通
過することができるように、ローラにすることができる。適当なポンプ装置２１
によって真空チャンバ内で、真空引きされる。１つあるいはそれより多いガスが
、真空チャンバを横切って位置される孔のあいチュープ２５のような、幾つかの
便利な配送装置によって、真空チャンバにガス供給源２３によって与えられる。
利用される特別なガスは、基板１７上に堆積されるべき必要なフィルムに本来的
に
依存する。
それぞれタゲット構造１３と１５の部分として与えられているスパッタリング
材料の円筒形部分２７と２９は、一般に同じ材料から作られるが、基板１７上に
堆積されるべきフィルムの性質に依存して、異なる材料から作ることもできる。
真空チャンバの外部に位置される電気的モーター源３１は、回転することによっ
て歯の付いたベルト３３、それぞれのスピンドル３９と４１に取り付けられたプ
ーリー３５と３７によって、ターゲットアッセンブリーを回転する。スパッタリ
ング材料２７と２９は、それぞれのスピンドル３９と４１で回転するために、そ
れらに取り付けられている。
通常接地電位に接続されている、真空チャンバの金属フレーム１１あるいは他
のアノードに関して、電源４０からスパッタリング表面に負の電圧を印加するこ
とによって、プラズマが作られる。プラズマは円筒形のスパッタリングターゲッ
ト２７と２９のスパッタリングゾーンに接して位置され、それぞれのマグネット
（図１には示されていない）の位置によって制御される。これらのマグネットは
その周りに小さな周囲の、あるいは放射上の距離を広げるそれぞれの円筒形のス
パッタリングターゲット２７と２９の長さに沿って位置づけされる。これらのマ
グネットは、それぞれの冷却管４３と４５へ取付けることによって、スパッタリ
ングターゲット２７と２９内に大変都合よく保持される。これらの冷却管は、そ
れぞれの円筒形のスパッタリングターゲット２７と２９の回転とは無関係に回転
できるように、それぞれのターゲットアッセンブリーの部分として備えられる。
従って、各ターゲットアッセンブリにおけるマグネットの位置、およびそれぞ
れのスパッタリングゾーンの位置はこれらの冷却管の回転によって制御される。
特に、プーリー４７は冷却管４３に取付けられ、真空チャンバの外部ある電気モ
ーター源４９から歯のついたベルト５１によって駆動される。同様に、プーリ５
３は冷却管４５に取付けられ、真空チャンバの外部にあって、歯のついたベルト
５７によってプーリーと接続された電気モーター源５５によって、回転位置に関
して制御される。モーター源４９と５５は、好ましくはステッパーモーターであ
り、それらは、選択された位置においてそれぞれの冷却管４３と４５を保持し、
それぞれのスパッタリングターゲット２７と２９とともに冷却管を回転する。
真空チャンバの外部にある液体の冷却源と排出装置（図示せず）は、矢印で示
されるように、冷却管４３と４５の各々の中央に冷却液を与え、また矢印で示さ
れるように冷却管の外側とスピンドルの内部表面の間のスペースから熱くなった
冷却液を排出する。電気的および電子的制御装置５９は、電源４０およびモータ
ー３１、４９と５５を含む図示されたマグネトロン装置のいろいろなパラメータ
を制御するために動作する。
本発明の改良は、図１の装置において、円筒形のシールド構造６７と６９、あ
るいはブロッキング手段を、各円筒形のターゲット表面２７と２９のそれぞれの
周りに間隔をおいて、備えることにより実施される。更に、シリンダーは、隣接
したスピンドルとそれらの支持装置の露出した表面をカバーするために、スパッ
タリング材料の端を越えて長さ方向に広がっている。それぞれのシールド構造６
７と６９に接している開口窓７２と７４はスパッタリングゾーンを露出するのに
十分な大きさである。しかしながら、これらの領域は、円筒形のシールド構造６
７と６９の全長に広がっておらず、スパッタリング材料のシリンダーの反対の端
に直接接する距離にたいして、それぞれのスパッタリング表面２７と２９をそれ
らのまわりで完全に覆われた部分を残している。
もし、ターゲットアッセンブリーの内側でスパッタリングゾーンを画定するマ
グネットが固定して保持されているならば、シールド構造６７と６９は固定位置
にあるそれらの窓で極めて簡単に保持される。しかしながら、図１の実施の形態
において述べられているように、前に述べたコスパッタリングの応用に用いられ
ているように、マグネットが回転できるように作られているならば、それぞれの
開口７２と７４が移動するスパッタリリングゾーンに従うように、シールド構造
６７と６９を制御可能に回転することができることが好ましい。シールド構造の
回転の範囲はマグネットの回転の範囲と少なくとも同じ大きさであるように作ら
れる。これは、開口７２と７４の放射状の広がりが小さく保たれ、従ってスパッ
タリングゾーンの外側のスパッタリング表面のカバー範囲を最小にする。一方、
開口７２と７４の放射状の広がりを大きくすることができ、従ってマグネットの
制限された回転がシールド構造を回転するようにする。しかし、シールド構造６
７と６９の回転が、円筒形に形成されたスタッパリング表面２７と２９のそれぞ
れの長手方向の軸の周りに３６０度にわたって与えられる場合は、勿論、動作の
最大限の柔軟性が許容されれる。
このような回転を行うために、シールド構造６７に、その一端近くの周囲の周
りにプーリー７１を備え、同様に、シールド構造６９にプーリー７３を備える。
電気モーター源７５は歯のあるベルト７９でシールド構造６７を回転し、モータ
ー源７７は歯のあるベルト８１でシールド構造６９を回転する。モーター源７５
と７７は好ましくはステッパーモーターであり、制御装置５９に接続されて制御
される。
図１に示されたターゲットアセンブリーの詳細は、図２および図４のターゲッ
トアッセンブリー１５から明らかである。交互の極性を有する細長いマグネット
８５、８７および８９は冷却液チューブ４５に取り付けられている支持構造９１
によって、スパッタリング材料のシリンダー２９内に支持されている。このマグ
ネットアッセンブリーにおいて、スパッタリングチューブ２９とシールド構造６
９は、それぞれのモーター源５５、３１および７７によって長手方向の軸９３の
周りに独立して回転可能である。
図４から、ターゲットシリンダー２９の外側表面と円筒形に形成されたシール
ドチューブ６９の内側表面の間に、空間が存在することが判るであろう。これら
の両表面は、断面において同心状であり、１インチ（2.54cm）以下の距離で間隔
があけられている。プラズマがこれら２つの素子間に形成しないために小さな間
隔が必要である。
本発明によれば、図２のシールド構造６９は、磁界ゾーンの輪郭に一致するよ
うに、開口７２と７４に接しているその内側エッジ７０の部分に形成されている
。シールド構造６９の形状は図２に示されているが、シールド構造６９の形状を
設計する方法は図６に関連して、以下に詳細に述べられる。内側のエッジ７０に
おけるシールド構造６９の輪郭形状はエッチングの“トラックレース”パターン
に従って回転円筒形のマグネトロンの自己クリーニング特性を最大にするが、円
筒形のスパッタリングターゲットアッセンブリーの終端部分で凝縮物の形成を最
小にする。本発明の最も重要な特徴は、スパッタリングプロセス中に蒸気化され
た材料、特に誘電体の好ましくない凝縮を最小にするために、シールド構造を形
成
することであり、それにより、結果として生じる破滅的なアークを減少すること
である。
本発明の他の実施の形態は図３に示される。図２に示されたシールド構造６９
を有する実施の形態と同様に、この他の実施の形態は、ターゲット表面２９の周
りに間隔をおいて位置している分離したシールド構造６９Ａと６９Ｂを有してい
る。シールド構造６９Ａと６９Ｂは、ターゲットアッセンブリー１５の反対端に
位置しており、独立して回転できるようにそれぞれの周りにプーリー７３Ａと７
３Ｂを備える。本発明によれば、シールド構造６９Ａと６９Ｂは、磁界ゾーンの
輪郭に一致するように開口２９に接しているそれぞれの内側エッジ７０Ａと７０
Ｂの部分に形成される。ここに述べられた本発明のマグネトロン装置、マグネッ
トアッセンブリー、独立回転、支持構造および形状の特徴は図３に示された実施
の形態に同様に応用できる。
図５を参照すると、ターゲットアッセンブリー用の特定の支持構造が備えられ
ている。円筒形のスパッタリング表面９５は、長手方向の軸１０１の周りに回転
できるように終端スピンドル９７と９９により支持される。マグネット構造１０
３はターゲットシリンダー９５内に配置されている。ターゲット支持構造の部分
として、プレート１０５と１０７がターゲットアッセンブリーの反対端に設けら
れる。これらの終端プレートは、その端で円筒形に形成されたシールド構造１１
３が挿入されるそれぞれの環状の溝１０９と１１１を有している。このシールド
構造１１３は、プーリー１１５に接続されたモーター源によって容易に回転でき
る。
シールド構造１１３用のこの支持装置は、スパッタリングターゲットシリンダ
ー９５の端部に直接燐接している端部プレート１０５と１０７の部分をカバーす
るという利点を有している。これらの支持構造の表面は、プラズマスパッタリン
グゾーンに近接しているために、表面上に好ましくないフィルムの堆積を特に受
けやすいので、この目的のために非常に有用である。更に、前に述べたように、
終端部分１１７と１１９はシールド構造の周りで連続しており、回転するターゲ
ットの自己クリーニング動作はターゲットの長さのより中央部分で効果的に働く
ので、スパッタリングターゲット９５のそれぞれの終端部をカバーするために、
その長さに沿って十分伸びている。しかし、少なくともスパッタリングゾーンを
露出するために、シールド１１３に開口１２１が設けられる。シールド構造１１
３は、それ自身がステンレス綱のようなスパッタリングの起きにくい材料から作
られるのが好ましい。
この発明前は、円筒形マグネトロンのシールド構造の設計は、ターゲット構造
が回転される回転円筒形マグネトロンにおいて、ターゲット構造がスパッタエッ
チングを受けた後のターゲット構造の観察に基づかれていた。ターゲット構造は
回転するので、スパッタリング表面が、ターゲット構造の終端部において堆積さ
れた材料の帯びを有する一様にエッチされた表面として観察された。この観察に
基づいて、回転円筒形マグネトロンは、固定されたスパッタリングゾーンを有す
る平坦なマグネトロンにおいて観察されたスパッタリング表面の“レーストラッ
ク”エッチングの問題を回避すると考えられた。Kirs，Milan R．他による“Cyl
indrical Magnetron Shield Structure”（円筒形マグネトロンのシールド構造
）の米国特許第5,108,574号を参照されたい。結論として、このような回転円筒
形マグネトロン用のシールド構造は、観察された凝縮物の帯びに対応するターゲ
ット構造の終端部の領域をシールドするように、スパッタリングゾーンに隣接し
た長方形の形状をした内側のエッジを伴って設計された。
しかしながら、回転円筒形マグネトロンのスパッタリング表面は、良く画定さ
れた“レーストラック”パターンで確かにエッチされ、ターゲット構造の端部に
一致したパターンの凝縮物の形成を生じる。図６を参照すると、ターゲット構造
が動かないように保持されている回転円筒形マグネトロンにおいてスパッタエッ
チングを受けた後の円筒形のスパッタリングターゲット１３１が示されている。
境界１３９によって示されているスパッタリング表面上の“レーストラック”パ
ターンは、最大磁界強度の領域１３５とスパッタエッチングプロセス中にエッチ
された境界１３９の間に横たわるターゲット表面の領域を示している。“レース
トラック”のエッチパターンに一致している、スパッタリング表面上の領域１４
３、１４５、１４７および１４９はスパッタリングターゲットの端の部分におけ
る凝縮のバターンを示している。凝縮の割合が、堆積された凝縮物がスパッタリ
ングによって除かれる割合を越えた場合に、このような凝縮が、スパッタリング
表面上の位置に生じる。
凝縮に曝されたスパッタリングターゲットを更に調べると、破壊的なアークに
帰することができるターゲット構造に重大な損傷を与える証拠がある。更に、コ
ーティングされた基板の調査は、アークに帰することができるコーティングに損
傷を与える同様な証拠を示している。逆に、スパッタリングターゲットが、本発
明による形成されたシールド構造を用いて、凝縮からシールドされると、アーク
が最小になり、ターゲット構造や基板コーティングに与える損傷は実質的に減少
される。
本発明の円筒形に形成されたシールド構造を設計する好適な方法において、磁
気ペーパーが回転円筒形マグネトロンの動作中に、ターゲット表面上に位置され
る。磁気ペーパーは、ニュージャージのエドムンド科学会社（Edmund Scientifi
c Company）を含む幾つかの会社のものを商業的に利用できる。動作中に、磁気
ペーパーは磁界ゾーンの形状を示す等磁線によってマークされる。シールド構造
は等磁線によって示されるように、磁界ゾーンの輪郭に一致するように磁界ゾー
ンに隣接する内側のエッジに形成される。好ましい形状においては、図２と図３
に示されるように、シールド構造の内側のエッジで、曲線を描いて、ノッチのあ
る形状をとる。
他に、円筒形に形成されたシールド構造は、回転円筒形のマグネトロンが固定
されたターゲット構造によって動作された後に、ターゲット構造上に観察できる
凝縮およびエッチングのパターンに従って設計される。図２、図３および図６を
参照すると、シールド構造の、図２における内側のエッジ７０と図３における７
０Ａと７０Ｂは、ターゲット表面上に現れている図６の凝縮領域１４３、１４５
、１４７と１４９の輪郭に従う、曲線を描いて、ノッチのある形状に設計される
。同様に、内側のエッジは、ターゲット構造の端に現れる図６の“レーストラッ
ク”のエッチパターン１３９の輪郭に従う、曲線を描いて、ノッチのある形状に
設計することができる。
一旦形状がきまると、シールド構造の内側のエッジは、プラズマを乱すことな
くターゲットの端で、凝縮とそれに伴って起きるアークが最小になるように、磁
界ゾーンからの最適な距離に位置される。シールド構造を設計する好適な方法に
おいて、本発明のシールド構造は、ターゲットの端、即ち磁界ゾーンからの固定
された距離に位置される。動作中のアークの活動は、図１の電源４０に接続され
ているストリップチャートの記録器を用いて監視される。この記録器は、アーク
活動に応答して、マグネトロン装置の少ないアーク活動を示す、小さな電圧降下
を伴って生じる電圧のあらゆる減少を記録するために用いられる。このシーケン
スは、磁界ゾーンからの最適な距離が決定されるまで、磁界ゾーンからのいろい
ろな距離に位置するシールド構造の形成された内側のエッジで繰り返される。好
ましい形状においては、シールド構造は、シールドの内側のエッジと磁界ゾーン
が最適な距離だけ離されるように、磁界ゾーンに向かって長く延ばされる。
本発明のシールド構造は、スパッタリングゾーンの最大の自己クリーニングと
スパッタリングゾーンを越えた最小の凝縮のために与えられ、それにより、回転
円筒形マグネトロンにおけるアークの活動を減少する。本発明はその好適な実施
の形態に関して記載されたが、本発明は請求の範囲の範囲内で保護を与えられる
ことが理解されるべきである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Shield structure of cylindrical magnetron Background of the Invention The present invention relates generally to magnetrons of the type that employ a rotating cylindrical sputtering target, and more particularly to structures and techniques for minimizing the arc of the magnetron. Cylindrical magnetrons have become widely used for depositing films on substrates. One example is the stacking of layers of dielectric or metal on the surface of the glass substrate to filter some of the solar energy from passing through the glass substrate. Such a substrate is placed in a vacuum chamber containing at least one, and usually two, rotating cylindrical targets having sputtering material on their outer surfaces. Usually, both inert and reactive gases are introduced into the chamber. For either the vacuum chamber container or the separate anode, the voltage applied to the sputtering target creates a localized plasma along the sputtering zone of the target by a stationary magnet located within the target. Material is sputtered from the target surface and deposited on the substrate by bombarding the target with the electrons and ions of the plasma as the plasma passes through the fixed sputtering zone. The magnets are usually permanent magnets, arranged along a line in a rotating cylindrical target, and are held against rotation of the target. The sputtering zone is created by a magnet and extends only a small circumferential (radial) distance around it along substantially the entire length of the cylindrical sputtering target. Conventionally, the magnet is arranged so that the sputtering zone is below, facing the substrate directly covered by the bottom surface of the cylindrical target. The film deposition need only occur on the substrate but is also deposited on other surfaces within the reaction chamber. This often causes problems when certain dielectrics are deposited as films. For example, when the target surface is silicon or aluminum and the reaction gas is oxygen, silicon oxide is deposited not only on the substrate to be coated, but also on the target surface, the surface of the target supporting structure, and the like. The formation of dielectric material on the interior surfaces of the vacuum chamber causes arcing of these surfaces. The arc generates molecules that contaminate the film deposited on the substrate and also overloads the power supply that creates the plasma due to its electrical relationship with the surface of the sputtering target, the walls of the vacuum chamber or other anode. , Arc is not preferred. The advantage of a rotating cylindrical sputtering target is that such a film deposited on the target is sputtered as the target surface passes through the sputtering zone, thus preventing the formation of unwanted films. However, despite this self-cleaning property, an undesired arc still occurs in the rotating magnetron under some circumstances. Recently, a cylindrical magnetron shield structure has been developed to minimize this unwanted arc in rotating cylindrical magnetrons. Kirs, Milan R. See U.S. Pat. No. 5,108,574 for "Cylindrical Magnetron Shield Structure" by others. Kirs, Milan R. As shown elsewhere, dielectric film deposition can be minimized by dark space shielding. The dark space shield prevents the formation of plasma in the dark space, reducing film deposition and the resulting arc. It was found that the shield structure of Kirs et al. Greatly enhances the self-cleaning properties of the rotating cylindrical magnetron, but condensate deposition occurs towards the end of the target cylinder. Unlike the deposition of dielectrics associated with Kirs et al., The deposition of this condensate from the vapor present in the device occurs independent of the presence of plasma. Therefore, the problem of condensate deposition has not been completely solved by the use of dark space shields. Since a flat, slight deposit of dielectric or insulating material results in an undesired arc, the primary object of the present invention is to provide a mechanism and technique for minimizing such deposition and associated arcs. . Summary of the invention This and other objects are met by the present invention. Briefly and generally speaking, the formed cylindrical shield structure is spaced around at least a portion of the sputtering target outside the sputtering zone. By carefully examining the shape of the magnetic field zone and the condensate distribution at the end of the tube, the shape of the cylindrical shield structure is designed to match the contours of the magnetic field zone, thereby minimizing condensation buildup. Nevertheless, tube end sputter etching is minimized. In the preferred form, the shield structure is located on the opposite side of the target structure and is a separate cylinder formed at each inner end adjacent the magnetic field zone to match the contours of the "loose track" pattern of the magnetic field zone. Consists of a shaped end shield. The shield structure also consists of uniformed shields, where these formed cylindrical end shields contain plasma electrons and electrons as the target surface is rotated through the spattering zone. The cylindrically shaped structure is connected to each inner end portion lying outside the magnetic field zone, leaving an open window in the shield structure that contacts the magnetic field zone so that the target surface is bombarded by the ions. It The cylindrical shield structure does not rotate with the cylindrical target. In a device that provides for a sputtering zone that can be located around the target by rotation of the magnet, the cylindrical shield structure can be rotated so that its window causes the sputtering zone to follow its new position. It has been found that such a shield structure is beneficial in three main respects. First, it has been found that the self-cleaning properties of the rotating sputtering target do not extend to the far end of the target cylinder because the sputtering zone controlled by the magnet in the cylinder does not extend completely to that end. The abrupt termination of the permanent magnet in the target cylinder causes some discontinuity in the properties of the sputtering zone, and thus the plasma itself, at the end of the cylinder. Since the self-cleaning properties of the rotating target do not extend well to the edge of the target cylinder, the shield structure of the present invention extends completely around the sputtering cylinder at that edge and, in addition, approaches the sputtering surface and plasma. Therefore, it can be widened to cover the part of the support structure of the rotating target that is in contact with its edge, which particularly affects the formation of undesired films. Moreover, much like a flat magnetron, a rotating cylindrical magnetron forms a condensate that arcs at the ends of the target cylinder in a pattern that matches the shape of the "racetrack", but with a "racetrack" pattern. Etch the sputtering surface. Since this undesired condensate film conforms to the "racetrack" shape of the magnetic field zone, the shield structure of the present invention is similarly formed to conform to the contours of the magnetic field zone, thereby forming a condensate film. And shield these areas at the ends of the target cylinder that are exposed to the arcs that accompany it. A third beneficial feature of the shield structure results from covering the central portion of the length of the sputtering target cylinder, despite the self-cleaning properties of the rotating magnetron described above. It has been found that undesired dielectrics or other films deposited on the portion of the target outside the sputtering zone are not completely removed when these surface portions pass through the sputtering zone again. Further, there is the fact that it is preferable to cover a portion of the cylindrical target surface during co-sputtering. That is, the fact that two rotating cylindrical target surfaces are adjacent to each other and it is preferable if at least one of those materials is sputtered on the other surface before it is sputtered again on the substrate. Is. This co-sputtering technique is described in US patent application Ser. No. 07 / 549,392, filed July 6, 1990. It is the ability to cover a portion of the target during such co-sputtering provided by the present invention. Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of the preferred embodiments with reference to the drawings. Brief description of the drawings FIG. 1 shows two cylindrical sputtering target magnetrons utilizing the improvements of the present invention. FIG. 2 illustrates a portion of the target assembly of FIG. 1 including the improvements of the present invention. FIG. 3 shows a portion of the target assembly of FIG. 1 including an improvement of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view of the target assembly taken along line 4-4 of FIG. FIG. 5 is a partial view of a suitable support assembly for a rotating target assembly of the type shown in FIGS. 1-5. FIG. 6 illustrates a condensate pattern and an etching "track race" pattern at the end of the cylindrical sputtering target assembly of FIG. 1 used in designing the improvement of the present invention. Preferred embodiment First, referring to FIG. 1, prior to describing the details of the practice of the present invention, a general magnetron apparatus utilizing the present invention is generally described. The box 11 shown with a dotted line shows the metal wall of the vacuum chamber in which sputtering occurs. Within that chamber are two rotatable cylindrical target structures 13 and 15 which are held by a frame 11 for rotation about a longitudinal axis. The target structures 13 and 15 are generally retained, with their axes parallel to each other, but it is not a requirement. Also, although two target structures are shown in FIG. 1, many applications need to employ one of this target, other applications benefit by having more than two. You can However, it is common to use two target structures. The magnetron device of FIG. 1 has a substrate 17 supported by a support structure 19. The support device 19 can be a roller so that the substrate 17 can pass through the vacuum chamber for continuous processing. A vacuum is evacuated in the vacuum chamber by a suitable pump device 21. One or more gases are provided to the vacuum chamber by a gas source 23 by some convenient delivery device, such as a perforated tube 25 located across the vacuum chamber. The particular gas utilized will inherently depend on the required film to be deposited on the substrate 17. The cylindrical portions 27 and 29 of sputtering material, which are provided as part of the target structures 13 and 15, respectively, are generally made from the same material, but different materials depending on the nature of the film to be deposited on the substrate 17. It can also be made from. An electric motor source 31, located outside the vacuum chamber, rotates the target assembly by means of a toothed belt 33, which is rotated by means of pulleys 35 and 37 mounted on respective spindles 39 and 41. Sputtering materials 27 and 29 are attached to them for rotation on respective spindles 39 and 41. A plasma is created by applying a negative voltage from the power supply 40 to the sputtering surface with respect to the metal frame 11 or other anode of the vacuum chamber, which is usually connected to ground potential. The plasma is located in contact with the sputtering zones of cylindrical sputtering targets 27 and 29 and is controlled by the position of their respective magnets (not shown in FIG. 1). These magnets are located along the length of their respective cylindrical sputtering targets 27 and 29 which extend a small circumferential or radial distance around them. These magnets are very conveniently held in the sputtering targets 27 and 29 by attaching them to their respective cooling tubes 43 and 45. These cooling tubes are provided as part of their respective target assemblies so that they can rotate independently of the rotation of their respective cylindrical sputtering targets 27 and 29. Therefore, the position of the magnet in each target assembly and the position of the respective sputtering zone is controlled by the rotation of these cooling tubes. In particular, the pulley 47 is attached to the cooling tube 43 and is driven by a toothed belt 51 from an electric motor source 49 located outside the vacuum chamber. Similarly, the pulley 53 is attached to the cooling tube 45 and is controlled with respect to its rotational position by an electric motor source 55 which is external to the vacuum chamber and which is connected to the pulley by means of a toothed belt 57. Motor sources 49 and 55 are preferably stepper motors, which hold respective cooling tubes 43 and 45 in selected positions and rotate the cooling tubes with their respective sputtering targets 27 and 29. A liquid cooling source and discharge device (not shown) external to the vacuum chamber provides cooling liquid to the center of each of the cooling tubes 43 and 45, as shown by the arrows, and cooling as shown by the arrows. The hot coolant is drained from the space between the outside of the tube and the inside surface of the spindle. Electrical and electronic controls 59 operate to control various parameters of the illustrated magnetron device, including power supply 40 and motors 31, 49 and 55. An improvement of the present invention is implemented in the apparatus of FIG. 1 by including cylindrical shield structures 67 and 69, or blocking means, spaced around each cylindrical target surface 27 and 29, respectively. It Further, the cylinders extend longitudinally beyond the edges of the sputtering material to cover the exposed surfaces of adjacent spindles and their support devices. Opening windows 72 and 74 in contact with respective shield structures 67 and 69 are large enough to expose the sputtering zone. However, these regions do not extend the full length of the cylindrical shield structures 67 and 69, and have their respective sputtering surfaces 27 and 29 around them for a distance directly contacting the opposite end of the cylinder of sputtering material. It leaves the completely covered part. If the magnets defining the sputtering zone are fixedly held inside the target assembly, the shield structures 67 and 69 are held very easily with their windows in a fixed position. However, as described in the embodiment of FIG. 1, if the magnet is made to be rotatable, as used in the co-sputtering application described above, each opening 72 and Preferably, shield structures 67 and 69 can be controllably rotated so that 74 follows the moving sputter ring zone. The range of rotation of the shield structure is made to be at least as large as the range of rotation of the magnet. This keeps the radial extent of the openings 72 and 74 small, thus minimizing the coverage of the sputtering surface outside the sputtering zone. On the other hand, the radial extent of the openings 72 and 74 can be increased, thus allowing limited rotation of the magnet to rotate the shield structure. However, if rotation of the shield structures 67 and 69 is provided over 360 degrees about the longitudinal axis of each of the cylindrically shaped stappering surfaces 27 and 29, of course, maximum flexibility of operation is achieved. Sex is acceptable. To provide such rotation, the shield structure 67 is provided with a pulley 71 around its perimeter near one end, and similarly the shield structure 69 is provided with a pulley 73. An electric motor source 75 rotates a shield structure 67 with a toothed belt 79, and a motor source 77 rotates a shield structure 69 with a toothed belt 81. Motor sources 75 and 77 are preferably stepper motors and are connected to and controlled by controller 59. Details of the target assembly shown in FIG. 1 are apparent from the target assembly 15 of FIGS. 2 and 4. Elongated magnets 85, 87 and 89 having alternating polarities are supported within a cylinder 29 of sputtering material by a support structure 91 attached to the cooling liquid tube 45. In this magnet assembly, the sputtering tube 29 and shield structure 69 are independently rotatable about their longitudinal axes 93 by respective motor sources 55, 31 and 77. It will be seen from FIG. 4 that there is a space between the outer surface of the target cylinder 29 and the inner surface of the cylindrically shaped shield tube 69. Both of these surfaces are concentric in cross-section and are spaced a distance of 1 inch (2.54 cm) or less. A small spacing is necessary so that plasma does not form between these two elements. In accordance with the present invention, the shield structure 69 of FIG. 2 is formed at the portion of its inner edge 70 that abuts the openings 72 and 74 to match the contours of the magnetic field zones. Although the shape of the shield structure 69 is shown in FIG. 2, the method of designing the shape of the shield structure 69 is described in detail below in connection with FIG. The contoured shape of the shield structure 69 at the inner edge 70 maximizes the self-cleaning properties of the rotating cylindrical magnetron according to the "tracklace" pattern of etching, but causes condensate formation at the end of the cylindrical sputtering target assembly. Minimize. The most important feature of the present invention is the formation of a shield structure to minimize unwanted condensation of vaporized materials, especially dielectrics, during the sputtering process, thereby resulting in catastrophic failure. Is to reduce the number of arcs. Another embodiment of the present invention is shown in FIG. Similar to the embodiment having shield structure 69 shown in FIG. 2, this other embodiment has separate shield structures 69A and 69B spaced around target surface 29. ing. The shield structures 69A and 69B are located at opposite ends of the target assembly 15 and include pulleys 73A and 73B around each for independent rotation. In accordance with the present invention, shield structures 69A and 69B are formed at the respective inner edges 70A and 70B that abut the opening 29 to match the contours of the magnetic field zones. The features of the magnetron device, magnet assembly, independent rotation, support structure and shape of the present invention described herein are similarly applicable to the embodiment shown in FIG. Referring to FIG. 5, a particular support structure for the target assembly is provided. A cylindrical sputtering surface 95 is supported by terminal spindles 97 and 99 for rotation about a longitudinal axis 101. The magnet structure 103 is arranged in the target cylinder 95. Plates 105 and 107 are provided at opposite ends of the target assembly as part of the target support structure. These end plates have respective annular grooves 109 and 111 at the ends of which a cylindrically shaped shield structure 113 is inserted. The shield structure 113 can be easily rotated by a motor source connected to the pulley 115. This support for the shield structure 113 has the advantage of covering the parts of the end plates 105 and 107 which are in direct phosphorous contact with the end of the sputtering target cylinder 95. The surface of these support structures is particularly useful for this purpose because they are particularly susceptible to unwanted film deposition on the surface due to their proximity to the plasma sputtering zone. Furthermore, as mentioned previously, the termination portions 117 and 119 are continuous around the shield structure, and the self-cleaning action of the rotating target effectively acts in the more central portion of the length of the target, thus It extends well along its length to cover each end of 95. However, an opening 121 is provided in the shield 113 to expose at least the sputtering zone. The shield structure 113 is preferably itself made of a material such as stainless steel that is resistant to sputtering. Prior to this invention, the design of shield structures for cylindrical magnetrons was based on observing the target structure after it had undergone sputter etching in a rotating cylindrical magnetron in which the target structure was rotated. As the target structure rotates, the sputtering surface was observed as a uniformly etched surface with a band of deposited material at the end of the target structure. Based on this observation, the rotating cylindrical magnetron was thought to avoid the problem of "racetrack" etching of the sputtering surface observed in a flat magnetron with a fixed sputtering zone. Kirs, Milan R. See U.S. Pat. No. 5,108,574 for "Cyl indrical Magnetron Shield Structure" by others. In conclusion, such a shield structure for a rotating cylindrical magnetron has an inner rectangular shape adjacent to the sputtering zone so as to shield the region at the end of the target structure that corresponds to the observed condensate band. Designed with the edges of. However, the rotating cylindrical magnetron sputtering surface is indeed etched in a well-defined "racetrack" pattern, resulting in a pattern of condensate formation consistent with the edges of the target structure. Referring to FIG. 6, a cylindrical sputtering target 131 is shown after undergoing sputter etching in a rotating cylindrical magnetron with the target structure held stationary. The "racetrack" pattern on the sputtering surface, indicated by the boundary 139, indicates the area of the target surface that lies between the area 135 of maximum magnetic field strength and the boundary 139 that was etched during the sputter etch process. Regions 143, 145, 147 and 149 on the sputtering surface, which correspond to the "racetrack" etch pattern, show condensation patterns at the edges of the sputtering target. Such condensation occurs at locations on the sputtering surface when the rate of condensation exceeds the rate at which the deposited condensate is removed by sputtering. Further investigation of sputtering targets exposed to condensation reveals significant damage to the target structure that can be attributed to destructive arcs. In addition, investigations of the coated substrate show similar evidence of damage to the coating that can be attributed to the arc. Conversely, when the sputtering target is shielded from condensation using the formed shield structure according to the present invention, arcs are minimized and damage to the target structure and substrate coating is substantially reduced. In the preferred method of designing the cylindrically shaped shield structure of the present invention, magnetic paper is positioned on the target surface during operation of the rotating cylindrical magnetron. Magnetic paper is commercially available from several companies, including Edmund Scientific Company of New Jersey. During operation, the magnetic paper is marked by the isomagnetic lines that indicate the shape of the magnetic field zones. The shield structure is formed at the inner edge adjacent the magnetic field zone to match the contour of the magnetic field zone, as indicated by the isomagnetic lines. In the preferred shape, the inner edge of the shield structure is curved and notched, as shown in FIGS. Alternatively, the cylindrically shaped shield structure is designed according to the pattern of condensation and etching observable on the target structure after the rotating cylindrical magnetron is operated by the fixed target structure. Referring to FIGS. 2, 3 and 6, the inner edge 70 of FIG. 2 and 70A and 70B of FIG. 3 of the shield structure are condensed regions 143, 145, 147 of FIG. 6 appearing on the target surface. It is designed in a curved, notched shape, following the contours of 149 and 149. Similarly, the inner edge can be designed into a curved, notched shape that follows the contours of the "racetrack" etch pattern 139 of FIG. 6 that appears at the edges of the target structure. Once shaped, the inner edge of the shield structure is positioned at an optimal distance from the magnetic field zone so that condensation and the resulting arc is minimized at the edge of the target without disturbing the plasma. In a preferred method of designing the shield structure, the shield structure of the present invention is located at a fixed distance from the edge of the target, ie the magnetic field zone. The activity of the arc during operation is monitored using a strip chart recorder connected to the power supply 40 of FIG. This recorder is used to record any decrease in voltage in response to arc activity that is accompanied by a small voltage drop, which is indicative of less arc activity in the magnetron device. This sequence is repeated with the formed inner edge of the shield structure located at various distances from the magnetic field zone until the optimal distance from the magnetic field zone is determined. In the preferred form, the shield structure is elongated towards the magnetic field zone such that the inner edge of the shield and the magnetic field zone are separated by an optimum distance. The shield structure of the present invention provides for maximum self-cleaning of the sputtering zone and minimal condensation across the sputtering zone, thereby reducing arc activity in a rotating cylindrical magnetron. Although the present invention has been described in terms of its preferred embodiment, it should be understood that the invention is entitled to protection within the scope of the appended claims.
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Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ
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(72) Inventor Porter John Earl
United States California
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